Z-ДНК

Z-ДНК — одна из многих возможных структур двойной спирали

А-ДНК и В-ДНК, хотя точные её функции к настоящему моменту не определены^[1]

История изучения

Левозакрученная ДНК впервые была открыта Робертом Уэллсом и коллегами при изучении

кристаллическая структура Z-ДНК, где в ходе рентгеноструктурного анализа выяснилось, что она является первым однокристаллическим фрагментом ДНК (самокомплементарный гексамер ДНК d(CG)₃). Было установлено, что Z-ДНК представляет собой левозакрученную двойную спираль ДНК из двух антипараллельных цепей, соединённых связями между парами азотистых оснований. Эти работы были проведены Эндрю Уонг (англ. Andrew Wang), Александром Ричем и их сотрудниками в Массачусетском технологическом институте^[3]

.

В

клетке. Везде, где есть сегменты форм Z-ДНК, должны быть также В-Z-соединения на их концах, связывающие Z-форму с B-формой, встречающейся во всём остальном геноме

.

В

РНК-версия Z-ДНК как трансформированная форма двойной правозакрученной спирали A-РНК в левозакрученную спираль^[7]. Переход от А-РНК в Z-РНК, тем не менее, был описан уже в 1984 году^[8]

.

Структура

Z-ДНК значительно отличается от правозакрученных форм. Z-ДНК — левозакрученная и имеет первичную структуру, повторяющуюся через каждые 2 пары оснований. На один поворот спирали приходится 12 пар оснований. В отличие от А- и В-ДНК, в Z-ДНК большая бороздка слабо различима, малая бороздка узкая и глубокая^[9]. Вообще, структура Z-ДНК энергетически невыгодна, хотя некоторые условия могут активизировать её формирования, как то: чередующиеся пуриново-пиримидиновые последовательности (особенно поли(dGC)₂), негативная сверхспирализация ДНК, высокое содержание солей и некоторые катионы (все при физиологической температуре — 37 °C и pH 7,3—7,4). Z-ДНК может соединяться с B-ДНК в структуру, приводящую к вытеснению пар оснований (см. рис.)^[10].

Ещё одной особенностью Z-ДНК является чередование конформаций

дезоксигуанозина сахар находится в С3'-эндоконформации, а основание имеет крайне нетипичную син-конформацию^[12]

.

Стэкинг оснований в Z-ДНК обладает новыми, присущими лишь этой форме свойствами. Так, стэкинговые взаимодействия имеются только между остатками цитозина противоположных цепей, а остатки гуанина вообще не взаимодействуют друг с другом^[1].

нм, а для цитозиновых — 0,76 нм. При этом соседние сахара «смотрят» в противоположные стороны, и из-за этого линия, последовательно соединяющая атомы фосфора в цепи, становится зигзагообразной (отсюда название — Z-ДНК)^[1]

.

Структура Z-ДНК сложна для изучения, потому что она практически не существует в стабильной форме двойной спирали. Напротив, левозакрученная спираль Z-ДНК является временной структурой, появляющейся в результате биологической активности и быстро исчезающей [13].

Переход из В-ДНК в Z-ДНК

Как уже говорилось, В- и Z-формы способны переходить друг в друга. Это происходит при изменении ионной силы раствора или концентрации катионов, нейтрализующих отрицательный заряд фосфодиэфирного каркаса. При этом для перехода нет необходимости для расхождения цепей, он инициируется разрывом водородных связей у нескольких пар оснований, после чего гуанин фиксируется в син-конформации, водородные связи восстанавливаются, и основания вновь образуют уотсон-криковские пары. Область перехода движется по спирали в виде петли^[1].

Предсказание структуры Z-ДНК

В настоящий момент возможно предсказать правдоподобную последовательность ДНК, находящейся в форме Z-ДНК. Алгоритм для предсказания склонности ДНК перестраиваться из В-формы в Z-форму, ZHunt, был написан в 1984 году д-ром P. Shing Ho из Массачусеткого технологического института^[14]. Позже этот алгоритм был развит Трейси Кэмп и коллегами для определения мест образования Z-ДНК во всём геноме^[15].

Алгоритм ZHunt доступен по ссылке Z-Hunt online.

Биологическое значение

Z-ДНК обнаружены у представителей всех трёх

белками, специфическим к Z-ДНК, определёнными катионами типа спермидина^[англ.] и метилированием дезоксицитидина^[17]

.

Предположение о том, что Z-ДНК обеспечивает сверхспирализацию ДНК во время транскрипции [6]^[18], подтверждается тем, что потенциал к образованию Z-форм обнаруживается на участках, задействованных в активной транскрипции. Была показана связь мест образования Z-ДНК в генах 22-й хромосомы человека и известных для них сайтов начала транскрипции^[15].

Z-ДНК образуется после начала транскрипции. Первый

РНК^[24]^[25]

.

В

клетки от 5 до 10 раз, причём эти гены блокируют способность клеток к саморазрушению (апоптозу) как к защитной реакции против инфекции

.

Рич предположил, что Z-ДНК необходима для транскрипции и E3L стабилизирует Z-ДНК, таким образом увеличивая экспрессию антиапоптических генов. Он также выдвинул идею, что малые молекулы могут связываться с E3L, препятствуя соединению этого белка с Z-ДНК, и в итоге мешают экспрессии антиапоптозных генов. Потенциально это может быть использовано в основе метода защиты от оспы, вызываемой поксвирусами.

С помощью антител к Z-ДНК эта форма ДНК была обнаружена в междисковых областях политенных хромосом. Дело в том, что нуклеосомы имеются только у В-ДНК, а переход в Z-форму разрушает структуру нуклеосомы и, следовательно, состоящего из нуклеосом хроматина. В связи с этим предполагается, что Z-форма может выполнять какую-то регуляторную роль, тем более, переход В → Z обратим^[1].

Установлено, что

репликации^[28]

.

Сравнение геометрических параметров некоторых форм ДНК

Геометрический параметр	A-форма	B-форма	Z-форма
Направление	правозакрученная	правозакрученная	левозакрученная
Единица повтора	1 пара оснований (п. о.)	1 п. о.	2 п. о.
Оборот (в градусах)	32,7°	35,9°	60°/2
Изгиб	11 п. о.	10,5 п. о.	12 п. о.
Расположение п.о. относительно оси	+19°	−1.2°	−9°
Подъём вдоль оси	2,3 Å (0,23 нм)	3,32 Å (0,332 нм)	3,8 Å (0,38 нм)
Наклон	28,2 Å (2,82 нм )	33,2 Å (3,32 нм)	45,6 Å (4,56 нм)
Скрученность	+18°	+16°	0°
Конформация основания	анти-	анти-	C: анти-, G: син-
Конформация сахара	C3'-эндо	C2'-эндо	C: C2'-эндо, G: C3'-эндо
Диаметр	23 Å (2,3 нм)	20 Å (2,0 нм)	18 Å (1,8 нм)
Источники:^[29]^[30]^[31]